EA003265B1 - Вращающийся стабилизатор энергетической системы - Google Patents

Abstract

Электрические машины (2) с переменной частотой вращения используются в качестве стабилизаторов в энергосистеме. Вращение ротора (10) соответствует некоторой кинетической энергии, и эта кинетическая энергия используется как накопленная энергия стабилизатора. Электрической машиной (2) и частотой ее вращения управляют, управляя током, который течет через ротор (10). Питание источника напряжения и средств (18) управления, используемых для этого, осуществляют от источника, который не зависит от напряжения в энергосистеме. Предпочтительно, чтобы источник напряжения включал бесщеточную регулирующую машину (20), установленную на одном валу (22) с главной электрической машиной (2). Кроме того, благодаря непосредственному контролю температуры в статорной (14) и роторной (16) обмотках главная электрическая машина (2) может быть временно использована для передачи мощностей, которые намного превышают ее номинальную мощность.

Description

Настоящее изобретение, в целом, относится к стабилизаторам в энергетических системах и к способам стабилизации. Более конкретно изобретение относится к стабилизаторам, содержащим вращающиеся электрические машины, и к способам управления такими устройствами.

Уровень техники

В идеальном случае энергосистема должна представлять собой «шину», к которой в любое время могут подключаться различные производители и потребители электричества для поставки/потребления необходимой мощности. На практике энергосистема не удовлетворяет этим идеальным правилам, поскольку существуют ограничения на величину поставляемой/потребляемой мощности в различных местах и на величину мощности, которая может быть передана между различными частями энергосистемы.

Обычно энергосистемой называют сеть электроснабжения, в которой энергия передается по 3-фазной высоковольтной линии передачи переменного тока. Однако могут иметься соединения по постоянному току между несинхронными сетями переменного тока или внутренние соединения между двумя точками (узлами) в сети переменного тока.

Часто в энергосистемах ограничения по мощности зависят не от тепловой нагрузочной способности включенных в сеть компонентов, а определяются из соображений устойчивости и надежности. Система должна быть устойчива, то есть большие или малые возмущения в ее работе должны гаситься, и система должна возвращаться назад в устойчивое состояние. Кроме того, энергосистема должна выдерживать отключение крупных производителей и/или потребителей без возникновения неустойчивости или отказов, приводящих к выходу энергосистемы из строя.

Кроме того, энергосистема должна работать в некоторых заданных пределах напряжений. Некоторые устройства, например трансформаторы и двигатели, предназначены для работы в заданных диапазонах напряжений. Напряжение в сети переменного тока регулируют путем управления балансом реактивной мощности в этой сети. При дефиците реактивной мощности или при неблагоприятном распространении реактивной мощности между местами ее генерации и использования в сети в некоторых случаях не удается поддержать напряжение постоянным, и в результате имеет место так называемая лавина напряжения, в результате чего сеть выходит из строя.

Помимо преобразования энергии, синхронные машины используются как синхронные компенсаторы, не соединенные с другой движущей машиной или механической нагрузкой и поэтому не выполняющие никакого преобразования энергии. Эти машины вращаются синхронно с частотой энергосистемы и способны поставлять/потреблять реактивную мощность.

Кроме того, они способствуют устойчивости энергосистемы при возмущениях, поскольку намагничиванием машины можно управлять, а синхронный компенсатор увеличивает мощность короткого замыкания в энергосистеме. Способность синхронной машины стабилизировать работу энергосистемы путем модуляции активной мощности ограничена тем, что эта активная регулируемая мощность должна генерироваться из магнитной энергии, сосредоточенной в воздушном зазоре машины, или из энергии вращающейся массы за счет кратковременного изменения частоты вращения при изменении угла нагрузки.

Асинхронный генератор представляет собой асинхронную машину, в которой питание роторной обмотки происходит через контактные кольца от преобразователя тока, соединенного с той же энергосистемой, что и полюсы статора машины. Эти машины используются, прежде всего, в насосных электростанциях. Преимуществ несколько: помимо прочего, эффективность электростанции повышается, а при накачке можно использовать так называемое слежение за нагрузкой, то есть путем накачки можно регулировать мощность, забираемую из сети. Такие машины эксплуатируются в нескольких местах в Японии и описаны в работе Такао Ки\таЬагк с1. а1. Эекщп апй йуиаш1е гекропке сйатас1епк0ск о! 400 Μ\ν ай)ик1аЫе креей ришрей к1огаде ип11 £от Ойка^асЫ Ро\\'ег 81айоп, ΙΕΕΕ Ттапкасйопк оп Епегду Сопуеткюп, Уо1. 11, Ыо. 2, 1ипе 1996, рр. 376-384. Кроме того, путем подачи в ротор постоянного тока асинхронный генератор можно использовать в качестве синхронной машины. Однако следует учитывать, что это может вызвать тепловую перегрузку в одной из фаз, если через нее постоянно проходит полный ток намагничивания.

Асинхронный генератор может использоваться для повышения устойчивости сети, поскольку при возмущениях или отказах в сети с его помощью можно быстро регулировать поставляемую в сеть от машины активную мощность. В отличие от синхронной машины, можно независимо регулировать активную и реактивную мощность. Повышение устойчивости энергосистемы повышает эффективность использования сети, поскольку позволяет передавать большую мощность. Это описано в работе 1аи О. О)етйе е1. а1. 1и1едгайои о£ АйщйаЫе 8реей Нуйго МасЫиек ίη Ек1аЫ1кйей ЫеГСогкк, Ргос. о£ Нуйторо^ет ш!о Фе Ыех! Сеи1шу - III (Нуйторо^ет '99), Отипйеп, Аикйта, 1999, рр. 559-567. Еще одно преимущество асинхронных генераторов заключается в том, что эксплуатационная мощность преобразователя тока мала по сравнению с полной эксплуатационной мощностью машины и обычно на работающих электростанциях составляет 15-30%.

Проблема, связанная с использованием современных асинхронных генераторов, заключа3 ется в том, что при возмущениях в работе энергосистемы преобразователь частоты, соединенный с энергосистемой, будет быстро отключен. Поэтому машина оказывается чувствительной в отношении отказов в энергосистеме. Это особенно справедливо, когда для части преобразователя, которая соединена с энергосистемой, требуется для переключения реактивная мощность, в особенности когда преобразователь является понижающим преобразователем частоты, где мощность в сети должна быть также высокосимметричной для фаз. В патентах США № 4812730 и 4870339 описаны различные способы управляемой стабилизации переменного напряжения в статоре машины при аварийном отсоединении соответствующей энергосистемы. Это абсолютно необходимо для сохранения намагничивания машины, чтобы ее можно было правильно фазировать при возобновлении подачи напряжения из энергосистемы.

Термин «гибкие системы передачи переменного тока» относится к нескольким различным узлам силовой электроники, которые используются для регулировки потока энергии и распределения напряжения в энергосистеме. Определение, данное Институтом инженеров по электротехнике и электронике (ΙΕΕΕ), гласит, что гибкие системы передачи переменного тока являются «системами передачи переменного тока, включающими силовые регуляторы на основе электроники и другие статические регуляторы, предназначенные для повышения управляемости и повышения энергетической пропускной способности».

Упрощенно, компоненты гибких систем передачи переменного тока могут быть описаны как устройства, которые в большинстве случаев содержат мощные электронные вентильные элементы (тиристоры и транзисторы), предназначенные для быстрого и точного изменения напряжения, тока, полного сопротивления и/или фазового угла в точках соединений (узлах), с которыми связан этот компонент, или между ними. Поскольку введение этих компонентов позволяет управлять потоком энергии, они могут использоваться для увеличения пропускной способности энергетической системы между различными областями или точками. Кроме того, введение таких компонентов может уменьшить потери энергии при ее передаче в передающей системе за счет лучшего распределения потока энергии между различными путями передачи.

Компоненты гибких систем передачи переменного тока могут быть связаны с энергосистемой с помощью параллельных соединений, последовательных соединений или комбинированного последовательно-параллельного соединения.

Параллельно соединенные блоки, в основном, используются для ввода/вывода реактивной мощности, и компоненты силовой электроники при этом используются для быстрой регу лировки ввода/вывода реактивной мощности. Одним из примеров является статический компенсатор реактивной мощности, который состоит из параллельно включенных реакторов (катушек) и конденсаторов, где силовая электроника используется для управления выработкой/потреблением реактивной мощности в блоке. Это обычно осуществляют путем управления величиной тока через реакторы. Если желательна полная управляемость, то есть на ±100% мощности, в блоке статического компенсатора реактивной мощности, то узлы силовой электроники должны быть рассчитаны на полную реактивную мощность блока. Однако статический компенсатор реактивной мощности создает гармоники, и поэтому необходима фильтрация. Кроме того, способность статического компенсатора реактивной мощности вводить реактивный ток в энергосистему уменьшается с уменьшением напряжения, то есть тогда, когда потребность часто является максимальной. Однако «статический синхронный компенсатор» (8ТАТСОМ) лишен этого недостатка, поскольку параллельно соединенные конденсаторы и реакторы не являются частью схемы генерации/потребления реактивной мощности. Реактивная мощность генерируется непосредственно в силовых электронных вентильных элементах, и фактически блок работает как синхронный компенсатор без вращающейся массы и с контролируемой и ограниченной мощностью короткого замыкания. Однако вся реактивная мощность должна пройти через преобразователь тока, поэтому последний должен быть рассчитан на полную мощность.

Используемые при передаче мощности последовательно включенные элементы состоят, главным образом, из конденсаторов и, в основном, используются для компенсации реактивного сопротивления линии, уменьшая таким образом ее «электрическую длину». Последовательно включенный конденсатор вносит напряжение, которое по фазе сдвинуто на 90° относительно тока в линии. Амплитудой вносимого напряжения можно управлять, например, с помощью последовательного конденсатора, управляемого тиристором.

Универсальный регулятор потока энергии состоит из двух преобразователей тока, один из которых подключен последовательно, а другой параллельно системе передачи. Поэтому универсальный регулятор потока энергии может регулировать реактивную мощность, которая может быть введена параллельно линии электропередачи, а также регулируемое напряжение, которое может быть введено последовательно, в результате чего можно управлять как амплитудой, так и фазой напряжения. Таким образом, универсальный регулятор потока энергии может одновременно и независимо управлять как активным, так и реактивным потоком энергии в линии электропередачи и, следовательно, объединяет функции управления мощностью и регулировки напряжения. Универсальный регулятор потока энергии является гибким инструментом для управления потоками энергии, но требует, однако, использования схем с дорогостоящими преобразователями тока.

Гибкие системы передачи переменного тока являются очень динамичными, что позволяет использовать их для улучшения динамических характеристик энергосистемы. Кроме того, они способны компенсировать асимметрию, возникающую в процессе работы, например, когда напряжение разных фаз различно. Краткий обзор различных компонентов гибких систем передачи переменного тока и их использования, а также уровень современной техники дан в статье К. ОгипЬаит с1. а1. ГАСТ8 - ро\\'сгГи1 кук1с 1115 ίο г Дех1Ь1е ро\ссг Ιπιηκιηίκκίοη. АВВ КеУ1е^, Νο. 5,1999, рр. 4-17.

Для всех компонентов гибких систем передачи переменного тока в общем случае справедливо то, что они традиционно не содержат никакого накопителя энергии, заслуживающего упоминания. Энергия, накопленная в конденсаторах и реакторах, очень ограничена по сравнению с рабочей мощностью блока, и поэтому эти элементы не могут вносить или забирать активную мощность из энергосистемы. Это можно реализовать, например, присоединяя источник энергии к статическому синхронному компенсатору со стороны выводов постоянного тока. На существующих экспериментальных электростанциях в качестве накопителей энергии используются или батареи (батарейный накопитель энергии - ВЕ8), или сверхпроводящие катушки (сверхпроводящий магнитный накопитель энергии - 8МЕ8). В статье Υ. Мйаш е1. а1. Аррйсайоп ο£ 8ирегсопбис11уе Мадие! Епегду 8ΐοгаде ΐο 1шргоуе Ро\усг 8ук1еш Эупат1с РегЮттапсе, 1ЕЕЕ Тгапкас1юп5 οп Ρο\\όγ 8у51етк, νοί. 3, Νο. 4, ШсетЬег 1988, рр. 1418-1425, показано, как можно использовать такой элемент для повышения устойчивости энергосистемы. Недостатки как батарейного накопителя энергии, так и сверхпроводящего магнитного накопителя энергии заключаются в том, что преобразователь тока должен быть рассчитан на полную мощность, а накопители энергии дороги, и в том, что некоторые типы батарей содержат тяжелые металлы и другие материалы, вредные для окружающей среды.

Для достижения желательного результата очень важным является размещение различных типов компенсаторов в энергосистеме. Для хорошей работы при стабилизации электромеханических колебаний реактивные компенсаторы параллельного типа нужно разместить между генераторами или группами генераторов, например, на равном электрическом расстоянии между этими двумя генераторами (или группами генераторов). Однако для улучшения баланса реактивной мощности в энергосистеме эти блоки следует разместить вблизи от областей с большой нагрузкой или внутри них. Для осуще ствления стабилизации параллельно соединенные блоки, которые способны регулировать активную мощность, например асинхронный генератор, должны быть установлены вблизи от других генераторов мощности.

Для всех силовых электронных преобразователей обычно справедливо утверждение, что их способность к перегрузкам ограничена короткими «тепловыми» постоянными времени. Например, преобразователь тока может противостоять перегрузке лишь очень небольшое время. Поэтому преобразователь тока должен быть рассчитан на максимальную нагрузку по току и напряжению.

Энергосистема, значительная часть которой связана с энергией нетепловых станций, например гидроэлектростанций или ветроэлектрических станций, может испытывать большие сезонные или суточные изменения потока энергии. Таким образом, имеется потребность в стабилизаторах, которые могут компенсировать реактивную и/или активную мощность и, таким образом, использоваться в различных эксплуатационных условиях, имеющих место в энергосистеме.

Конкретный вариант выполнения вращающейся электрической машины, где высоковольтная обмотка статора выполнена на основе кабеля, описан в заявке ГСО 97/45919. При этом отпадает необходимость в использовании какого-либо трансформатора для подключения к высоковольтной сети. Машины со статорной обмоткой такого типа характеризуются тем, что плотность тока в статорных проводниках очень низка и охлаждение, по существу, происходит по пакету статора, при потенциале земли. При подходящем выборе площади и/или защиты обмоток ротора такая машина в течение некоторого времени - в течение десятков минут или даже нескольких часов - способна генерировать очень большую реактивную мощность. Конструкция защиты, где температура ротора ограничена с помощью реле, постоянно установленного в устройстве, описана в заявке ГСО 98/34312.

Общей проблемой известных стабилизаторов является трудность создания достаточных запасов энергии. Стоимость и сложность конструкции стабилизаторов с большой емкостью очень велики, поэтому часто предпочитают использовать меньшие стабилизаторы, а в случае возникновения серьезных аварийных ситуаций отключать части энергосистемы. Другой общей проблемой известных стабилизаторов является невозможность их гибкого использования для компенсации как реактивной, так и активной мощности.

Сущность изобретения

Таким образом, общей целью настоящего изобретения является создание таких стабилизаторов для энергетических систем, которые обладают способностью к большему накоплению энергии. Другой общей целью настоящего изо003265 бретения является создание стабилизаторов, которые меньше по размеру, проще и более универсальны, чем известные стабилизаторы.

Вышеупомянутые цели достигаются с помощью устройств и способов, изложенных в формуле изобретения. В общих чертах, изобретение относится к вращающемуся стабилизатору для энергетической системы, содержащему главную машину в виде асинхронной машины с фазным ротором. Для изменения количества запасенной энергии частоту вращения ротора можно менять. Стабилизатор для энергетической системы отличается тем, что статор главной машины соединен с энергосистемой, обмотка ротора главной машины соединена с преобразователем тока, а преобразователь тока забирает активную мощность из источника напряжения, который предпочтительно является независимым от энергосистемы. Предпочтительно, чтобы источник напряжения был образован вращающейся электрической регулирующей машиной, имеющей общий вал с асинхронной машиной. Преобразователь тока предназначен для управления и регулировки генерируемой/потребляемой реактивной мощности главной машины. Преобразователь тока регулирует ток в обмотке ротора, тем самым управляя намагничиванием и преобразованием мощности в машине. Предпочтительно, чтобы преобразователь тока был установлен на общем валу главной машины и регулирующей машины.

Для увеличения энергоаккумулирующей способности ротора вал стабилизатора энергетической системы может быть связан с маховиком. Стабилизатор энергетической системы, прежде всего, должен обеспечить затухание колебаний в электрических сетях в течение и после возмущений и, таким образом, повысить динамическую устойчивость системы, а поэтому он активно функционирует только в течение коротких промежутков времени. Стабилизатор энергетической системы, выполненный согласно настоящему изобретению, может испытывать перегрузку в течение именно таких малых промежутков времени, поэтому оказывается возможным сохранить низкой его номинальную мощность, а значит, и стоимость. Используя непосредственный контроль температуры в обмотках статора и/или ротора, можно временно осуществить перегрузку главной электрической машины при передаче больших мощностей, значительно превышающих номинальную мощность, без риска вызвать какие-либо повреждения в машине.

Стабилизатор энергетической системы может использоваться несколькими способами. Он может использоваться как параллельно подключенный элемент энергосистемы, где он во время возмущений и в аварийных ситуациях в энергосистеме осуществляет ее стабилизацию, поставляя/потребляя активную и реактивную мощность. Отбор/подача активной мощности осуществляется путем изменения частоты вращения ротора машины, в которой механическая энергия накоплена за счет момента инерции ротора. При нормальной работе вращающийся стабилизатор энергетической системы может осуществлять компенсацию реактивной мощности, и в этом случае он действует, главным образом, как вращающийся синхронный компенсатор. Кроме того, стабилизатор энергетической системы может использоваться как преобразователь мощности; в этом случае машина в дополнение к вышеописанным функциям осуществляет преобразование механической энергии в электрическую или электрической энергии в механическую путем соединения вала стабилизатора мощности с турбиной или с механической нагрузкой соответственно.

Обычно стабилизатор энергетической системы вращается близко к синхронной частоте вращения. Таким образом, активная электрическая мощность, которая поступает из преобразователя тока в обмотку ротора/из обмотки ротора, составляет лишь малую часть активной электрической мощности, которую стабилизатор энергетической системы подает в энергосистему/получает из нее. Поэтому вращающаяся асинхронная машина образует усилитель активной мощности для преобразователя тока, связанного с ротором машины.

Кроме того, изобретение относится к способу стабилизации энергетической системы, включающему в качестве основных операций передачу электрической мощности между линией электропередачи и главной вращающейся машиной и регулировку этой электрической мощности путем изменения частоты вращения главной машины.

Устройство и способ согласно настоящему изобретению обладают множеством преимуществ. Вращающийся стабилизатор, в отличие от статических компенсаторов, имеет большой накопитель энергии в виде вращающегося вала, причем этот накопитель может использоваться для кратковременного приема и подачи активной мощности для обеспечения затухания колебаний мощности в энергосистеме. При кратковременной перегрузке машины ее параметры могут быть существенно лучше. Накопитель энергии может быть усовершенствован за счет использования маховика, что, однако, ведет к увеличению стоимости. В отличие от известных вращающихся компенсаторов, предложенный вращающийся стабилизатор может осуществлять компенсацию при возникновении асимметрии (система минусовой последовательности). При использовании в качестве реактивного компенсатора параллельного типа машина может выдерживать значительную перегрузку по реактивной мощности в пределах ограниченного времени, например 5-60 мин, причем допустимые пределы изменения температуры изоляции можно использовать для управления, изме9 ряя температуру обмотки ротора и/или статора. Кроме того, машина с высоковольтной кабельной обмоткой характеризуется большей тепловой постоянной времени, т.е. период времени, когда машина не находится в тепловом равновесии, возрастает. В течение этого периода нагрузка может быть еще более увеличена. Способность выдерживать перегрузку приводит к тому, что номинальную мощность машины можно снизить. Внутренней ЭДС вращающегося стабилизатора в принципе можно управлять даже при отказах в энергосистеме до тех пор, пока регулирующая машина может поставлять энергию в преобразователь тока. Таким образом, в машине может быть осуществлен управляемый ввод активной и/или реактивной мощности в течение кратковременных отказов в энергосистеме. Таким образом, машина характеризуется управляемой мощностью короткого замыкания. Конструкция роторной обмотки может предусматривать частотно-зависимое сопротивление, чтобы увеличить способность машины противостоять большим возмущениям в сети. Например, в отличие от статических компенсаторов, машина может использоваться на электростанции в качестве комбинированного преобразователя и компенсатора для гашения колебаний, связанных как с электрическими сетями, так и с водными потоками.

Краткое описание чертежей

Другие цели и преимущества изобретения будут более понятны из последующего описания со ссылками на сопровождающие чертежи, где на фиг. 1а схематично иллюстрируется стабилизатор энергетической системы, выполненный согласно настоящему изобретению и содержащий трансформатор, но без соединения с движущей машиной или нагрузкой;

на фиг. 1Ь схематично иллюстрируется стабилизатор энергетической системы, выполненный согласно настоящему изобретению и содержащий высоковольтные кабельные обмотки, но без соединения с движущей машиной или нагрузкой;

на фиг. 2а схематично иллюстрируется стабилизатор энергетической системы, выполненный согласно настоящему изобретению, содержащий трансформатор и соединенный с движущей машиной или нагрузкой;

на фиг. 2Ь схематично иллюстрируется стабилизатор энергетической системы, выполненный согласно настоящему изобретению, содержащий высоковольтные кабельные обмотки и соединенный с движущей машиной или нагрузкой;

на фиг. 3 схематично иллюстрируется первый вариант выполнения стабилизатора согласно настоящему изобретению, содержащего бесщеточную главную машину;

на фиг. 4 схематично иллюстрируется первый вариант выполнения стабилизатора соглас но настоящему изобретению, содержащего главную машину со щетками;

на фиг. 5а показана эквивалентная схема одной фазы главной машины, изображенной на фиг.3;

на фиг. 5Ь показана преобразованная эквивалентная схема, соответствующая схеме, изображенной на фиг. 5а;

на фиг. 6 показана векторная диаграмма рабочей ситуации, когда стабилизатор, выполненный согласно настоящему изобретению, работает в качестве синхронного компенсатора в стационарном режиме;

на фиг. 7 показано положение потока статора относительно осей намотки статорной и роторной обмоток;

на фиг. 8 показана блок-схема управления стабилизатором в системе, ориентированной на поток статора, в которой преобразователь тока соединен с ротором главной машины;

на фиг. 9а показан график колебаний мощности между стабилизатором энергетической системы, выполненным согласно настоящему изобретению, и энергосистемой;

на фиг. 9Ь показан график отклонений частоты вращения, возникающих в стабилизаторе, выполненном согласно настоящему изобретению, при колебаниях мощности, изображенных на фиг. 9а;

на фиг. 10 показан график непериодических колебаний мощности между стабилизатором энергетической системы, выполненным согласно настоящему изобретению, и энергосистемой;

на фиг. 11 схематично иллюстрируется энергосистема с одним участком производства электроэнергии и одним нагрузочным участком;

фиг. 12 схематично иллюстрируется энергосистема с двумя участками производства электроэнергии и одним нагрузочным участком, где стабилизатор соединен с одним из участков производства электроэнергии;

на фиг. 13 схематично иллюстрируется энергосистема с двумя участками производства электроэнергии и одним нагрузочным участком, где стабилизатор энергетической системы соединен с нагрузочным участком;

на фиг. 14 показано, как система стабилизации напряжения и мощности, изображенная на фиг. 8, может быть расширена для осуществления управления активной и реактивной мощностью; и на фиг. 15 показана последовательность операций для способа стабилизации согласно настоящему изобретению.

Подробное описание

Как сказано выше, предпочтительный вариант выполнения изобретения представляет собой стабилизатор для энергетической системы, выполненный в виде вращающейся электрической машины (главная машина), где обмотка статора подключена параллельно энерго11 системе. Обмотка ротора представляет собой многофазную обмотку переменного тока, питаемую от преобразователя тока. Кроме того, преобразователь тока соединен еще с одной вращающейся машиной (регулирующей машиной), установленной на одном валу с главной машиной.

Вначале будет кратко описано, как стабилизатор соединен с энергосистемой и какими мощностями можно управлять для стабилизации энергосистемы. Далее описаны энергонесущие части вращающегося стабилизатора, то есть статор и ротор главной машины и регулирующей машины, а также преобразователь тока, который включен между регулирующей машиной и обмоткой ротора главной машины. Затем описаны способы управления стабилизатором и способы контроля его работы и их реализация с помощью датчиков и блоков цифрового управления, установленных в роторе и/или статоре машины. В заключении более подробно описаны способы приведения стабилизатора в действие и использования его в энергосистеме.

Машины переменного тока обычно предназначены для преобразования мощности, то есть они работают либо как двигатели, либо как генераторы. В этих случаях вал машины связан с механической нагрузкой или движущей машиной.

Как показано на фиг. 1а согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения главная машина стабилизатора энергетической системы, в принципе, является асинхронной машиной 2, в которой обмотка статора является 3-фазной обмоткой переменного тока, соединенной с энергосистемой 1 через трансформатор 3 и соединительное средство 4. На фиг. 1а главная машина не соединена с какой-либо движущей машиной («первичным двигателем») или механической нагрузкой, и, следовательно, ее возможный обмен мощностью с энергосистемой состоит из следующих составляющих.

О: Стабилизатор может в стационарном режиме поставлять реактивную мощность в энергосистему или потреблять ее из энергосистемы. Эта величина может быстро изменяться от стационарной величины 01 к новой стационарной величине 02. Максимальная мощность определяется стационарными тепловыми ограничениями для главной машины.

АО: Эта величина отражает возможность стабилизатора в условиях возмущения в работе или отказа в течение ограниченного времени поставлять/поглощать реактивную мощность, которая может превышать стационарное значение, допускаемое тепловыми ограничениями. Подробнее это рассмотрено ниже.

АР: Эта величина отражает возможность машины в течение ограниченного времени поставлять/поглощать активную мощность, которая отличается от мощности на валу, путем из менения частоты вращения вала. В этом случае энергия может быть отобрана от вращающейся массы путем уменьшения частоты вращения или добавлена к вращающейся массе путем увеличения частоты вращения. Подробнее это рассмотрено ниже.

В варианте выполнения изобретения, изображенном на фиг. 1Ь, главная машина стабилизатора энергетической системы является асинхронной машиной 2', у которой обмотка статора представляет собой обмотку из высоковольтного кабеля. В этом случае обмотка через соединительное средство 4 непосредственно связана с энергосистемой, без использования переходного трансформатора. На фиг. 1Ь главная машина также не связана с какой-либо движущей машиной («первичным двигателем») или с механической нагрузкой, и поэтому ее возможный энергетический обмен с энергосистемой аналогичен описанному выше в связи с фиг. 1а.

Как показано на фиг. 2а, стабилизатор может быть соединен с нагрузкой или движущей машиной 5. Движущая машина поставляет механическую энергию валу («первичный двигатель»). Наоборот, механическая нагрузка отбирает механическую энергию от вала стабилизатора. Движущая машина может представлять собой, например, турбину (водяную, паровую или газовую турбину), двигатель внутреннего сгорания (поршневой двигатель или двигатель Стирлинга) или электрический двигатель. Механической нагрузкой может быть насос, электрический генератор или тормоз. Если такая машина связана с валом стабилизатора, она способна, отдельно от ранее упомянутых величин, стационарно поставлять или получать активную мощность из энергосистемы, то есть работать в качестве генератора или двигателя.

На фиг. 2Ь показана асинхронная машина с обмоткой из высоковольтного кабеля, связанная с нагрузкой или движущей машиной 5. Такая конструкция, так же как и вышеописанная, позволяет поставлять активную мощность в энергосистему или потреблять эту мощность из нее.

На фиг. 3 показан один из вариантов выполнения стабилизатора энергетической системы согласно настоящему изобретению. Здесь главная машина 2 представляет собой асинхронную машину с фазным ротором 10. Статор 12 главной машины имеет 3-фазную обмотку 14, соединенную через трансформатор 3 с энергосистемой. В принципе, обмотка 16 ротора может иметь несколько фаз: две и более. Синхронная частота вращения, которая задается 3-фазной обмоткой 14 в статоре 12, определяется частотой энергосистемы и количеством полюсов обмотки 14. Частота вращения ротора 10 может изменяться относительно этой частоты при протекании переменного тока в обмотке 16 ротора главной машины 2. Этот ток подается из преобразователя 18 тока. Частота этого тока определяется разностью между синхронной частотой вращения и частотой вращения ротора, а также количеством полюсов в машине. Регулирующая машина 20 установлена на том же общем валу 22. В этом примере регулирующая машина 20 представляет собой синхронную машину, в которой якорная обмотка 24 расположена в роторе 26. Поэтому вращающийся в том же направлении преобразователь 18 тока может передавать энергию между ротором 26 регулирующей машины и ротором 10 главной машины. Когда главная машина 2 вращается с синхронной скоростью, вся электроэнергия в статоре преобразуется в механическую энергию в роторе (если пренебречь потерями). Поэтому в этом случае в обмотку 16 ротора никакой активной электрической мощности не подается. Когда машина 2 вращается асинхронно, некоторая часть мощности статора 12 за счет индукции, связанной с изменением скорости вращения, будет передана из обмотки 16 ротора. Поэтому эта электрическая энергия должна быть подана в обмотку 16 ротора из преобразователя 18 тока. Таким образом, преобразователь 18 тока обеспечивает намагничивание главной машины 2 и подачу/получение регулирующей мощности (активная мощность) в обмотку/из обмотки 16 ротора, в главную машину 2/из главной машины 2. Задача регулирующей машины 20 заключается в функционировании в качестве источника напряжения для преобразователя 18 тока, чтобы намагнитить главную машину 2 и преобразовать регулирующую энергию в механическую энергию на общем валу 22; при этом она поочередно работает как двигатель или генератор. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения регулирующая машина 20 действует как синхронная машина. Регулирующая машина 20 может иметь иное количество полюсов, чем главная машина 2, так что частота в ней может быть выше. Регулирующая машина 20 обеспечивает питание постоянным током обмоток 34 возбуждения в статоре 28. При нормальной работе их питание происходит через выпрямитель 42, соединенный с теми же трехфазными линиями, что и обмотки 14 статора главной машины, через трансформатор 44. При падении напряжения в энергосистеме, с которой имеется соединение, или при других перебоях в работе энергосистемы обмотка возбуждения регулирующей машины может получать питание от резервной батареи 65 или же регулирующая машина может иметь постоянные магниты. В первом случае преобразователь будет выполнять роль источника бесперебойного питания (ЛРЗ).

На фиг. 5а показана эквивалентная схема одной фазы главной машины. В данном примере активным сопротивлением обмоток ротора и статора пренебрегаем. Х_м обозначает реактивное сопротивление намагничивания, Х_ъз - реактивное сопротивление утечки обмотки статора и Х|,1< - реактивное сопротивление утечки обмотки ротора. 1_м обозначает ток намагничивания, 1_з ток через обмотки статора и 1_к - ток через обмотки ротора, 8 обозначает проскальзывание ротора относительно синхронной частоты вращения статорного потока. Статор показан как генератор, а ротор - как двигатель.

В нормальном режиме стабилизатор энергетической системы вращается с частотой, которая близка к синхронной. Из эквивалентной схемы видно, что напряжение в обмотке ротора мало, поскольку проскальзывание 8 очень мало. Если стабилизатор приводится во вращение с частотой, лежащей в пределах диапазона частот, например ±10% от синхронной, доля активной мощности, которая должна быть подана в обмотку 16 ротора, не превысит 10% от мощности главной машины. Это означает, что мощность, подаваемая в преобразователь тока, мала относительно полной мощности главной машины (и, таким образом, стабилизатора). Кроме того, преобразователь тока должен обеспечивать намагничивание главной машины стабилизатора, а это означает, что мощность преобразователя тока должна быть несколько выше. Поэтому мощность регулирующей машины определяется максимальной мощностью регулирования и необходимой реактивной мощностью преобразователя тока.

На фиг. 4 показан альтернативный вариант выполнения настоящего изобретения. В основном, он сходен с ранее описанным вариантом выполнения, поэтому описание общих частей опущено. В этом варианте выполнения якорная обмотка 24' регулирующей машины 20' находится в статоре 28. Преобразователь 18' тока является стационарным и соединен с обмоткой 16 ротора главной машины 2 посредством щеток 30 и контактных колец 32. Соответственно обмотка 36 возбуждения регулирующей машины 20 находится в роторе 26 и получает ток из выпрямителя посредством щеток 38 и контактных колец 40.

На фиг. 5Ь показана преобразованная эквивалентная схема асинхронной машины с фазным ротором, где Х_м обозначает сопротивление намагничивания, Х_ъз - сопротивление утечки обмотки статора и Х_и< - сопротивление утечки обмотки ротора. Их сумма составляет реактивное сопротивление обмотки статора и обозначена Х_А. Амплитуда и фаза тока С ротора относится к статорной стороне машины.

На фиг. 6 показана векторная диаграмма рабочей ситуации, когда стабилизатор функционирует как синхронный компенсатор в стационарном режиме. С валом не связаны никакие механические движущие машины или нагрузки. В этом случае предел максимально выдаваемой стационарной реактивной мощности обычно определяется тепловой нагрузкой в роторе. Поэтому основные габаритные размеры машины обычно определяются потребностью в создании необходимой магнитодвижущей силы в роторе.

Если стабилизатор работает как компенсатор реактивной мощности, выражение для тока ротора может быть получено из фиг. 5Ь:

^я γ их' ^лм ^лм

Из этого выражения следует, что потребность в намагничивании (ток ротора 1_К) тем меньше, чем больше сопротивление Х_м намаг ничивания. Исходя из этого, машина должна иметь большое сопротивление намагничивания при малом реактивном сопротивлении статора. Понятно, что по сравнению с известным син хронным компенсатором, выполненным на основе известной синхронной машины, потребность в магнитодвижущей силе становится меньше, чем обычно требуется в известной синхронной машине. Помимо прочего, это зависит от требований к устойчивости при возмущениях в энергосистеме. Поскольку посредством преобразователя 18 тока, соединенного с обмоткой 16 ротора, можно управлять током ротора по амплитуде и фазе, поток через ротор и статор в такой машине не станет асинхронным. Поэтому в такой машине не происходит потери синхронизации, как в известной синхронной машине, и требования к стабильности могут быть снижены, что, таким образом, снижает потребность в магнитодвижущей силе в роторе по сравнению с известным синхронным компенсатором. Это означает, что стабилизатор для компенсации реактивной мощности в стационарном режиме можно изготавливать меньших размеров по сравнению с известной синхронной машиной. Это следует из того, что именно ротор опреде ляет размеры машины, а потери в роторе можно уменьшить путем уменьшения плотности тока в обмотке ротора.

Неисправности в энергосистеме, например короткое замыкание или замыкание на землю, обычно приводят к нарушению работы энергосистемы. При неисправности токи в энергосистеме возрастают, а напряжения падают. Наибольшие изменения происходят вблизи места неисправности. Во время такой неисправности происходит изменение баланса вращающего момента в синхронных машинах в энергосисте ме, поскольку изменяется момент электрической нагрузки, в то время как механический момент приблизительно остается неизменным. Переходные процессы в энергосистеме очень сложны, поэтому, например, может быть жела тельным, пока сохраняется неисправность, подать в сеть реактивную мощность, чтобы сохранить наилучший баланс вращающего момента. В других случаях это нежелательно, поскольку токи в месте неисправности станут слишком большими. В этом случае можно, наоборот, потребовать ограничения как активной, так и реактивной мощности (тока), подаваемой к месту неисправности. Так как преобразователь 18 тока, показанный на фиг. 3, питается от регулирующей машины 20, неисправность не окажет влияния на подачу тока в преобразователь 18 тока. Поэтому преобразователь 18 тока может сам, пока продолжается состояние неисправности в энергосистеме, питать обмотку 16 ротора желательными током и напряжением. Таким образом, при продолжении состояния неисправности можно управлять входной реактивной мощностью, поступающей от стабилизатора.

Как сказано выше, в известном асинхронном генераторе при слишком сильном падении напряжения в энергосистеме и/или при слишком большой асимметрии преобразователь тока произведет отключение. Напротив, в стабилизаторе, выполненном согласно изобретению, в течение всего времени сохранения неисправности мощность короткого замыкания является управляемой. Кроме того, в известном синхронном компенсаторе можно лишь управлять током короткого замыкания, после чего переходный процесс придет к своему завершению. Кроме того, динамика управления синхронной машиной ограничена из-за большой постоянной времени обмотки возбуждения. Сочетание напряжения обмотки возбуждения и внутреннего напряжения машины можно рассматривать как систему первого порядка с характерной постоянной времени. Эта постоянная времени является переходным реактивным сопротивлением машины при разомкнутых полюсах статора и, по существу, определяется обмоткой возбуждения. В литературе она обозначается как Т’_а0. Для больших синхронных машин ее величина составляет 1-8 с. Так как главная машина во вращающемся стабилизаторе представляет собой асинхронную машину, обмотка ротора представляет собой обмотку переменного тока в отличие от синхронной машины. Она обладает большей постоянной времени и помимо изменения амплитуды тока допускает и изменение его фазы.

Для дополнительного увеличения устойчивости стабилизатора к неисправностям и для повышения его демпфирующей способности обмотка 16 ротора может быть выполнена так, что ее внутреннее сопротивление растет с частотой тока. Это достигается путем использования потока утечки в роторе для создания смещения тока, то есть ток в обмотке 16 ротора распределяется не равномерно по его сечению, а концентрируется со стороны той части обмотки 16, которая расположена ближе к воздушному зазору в машине. Этот эффект растет с частотой.

Обычно линию, где имеется неисправность, отключают. Если вращающийся стабилизатор был связан с линией электропередачи, которую отключили, то он больше не будет подключен к энергосистеме. Как правило, система управления энергосистемы пытается выполнить быстрое переключение, при котором линия сначала отключается. Поэтому важно, чтобы стабилизатор мог вести себя аналогично обычному синхронному генератору, то есть смог бы снова включиться в сеть синфазно. Стабилизатор, выполненный согласно настоящему изобретению, имеет собственную отдельную энергосистему в роторе, включающую обмотку 16 ротора в главной машине 2, преобразователь 18 тока и регулирующую машину 20. Так как регулирующая машина 20 не теряет намагничивания, при отключении внешней энергосистемы кинетическую энергию вращающихся частей можно использовать для намагничивания системы и подачи мощности непосредственно в ротор главной машины. Для намагничивания регулирующей машины не требуется большой мощности, и, как отмечено ранее, оно может быть подстраховано подачей энергии от резервной батареи 65 или использованием регулирующей машины 20 с постоянными магнитами. Даже если внешняя энергосистема отключена в течение некоторого времени (в худшем случае - на несколько минут), напряжение в главной машине 2 стабилизатора можно регулировать для такой коррекции частоты и фазы, чтобы можно было выполнить автоматическое соединение. Когда обнаруживается, что произошло разъединение, можно сделать так, чтобы система управления стабилизатором (подробно описанная ниже) вырабатывала опорную величину потока статора, например такую, чтобы стабилизатор вращался с той же скоростью, что и до неисправности.

На фиг. 6 видно, что, когда стабилизатор работает как компенсатор вблизи своей номинальной мощности, увеличение активной мощности ДР или реактивной мощности ДО легко может привести к перегрузке машины. В настоящее время номинальные мощности обычно устанавливают согласно рекомендациям изготовителя, возможно, с некоторым запасом. Кроме того, рекомендации изготовителей обычно относятся к стационарным ситуациям, когда предполагается, что температура окружающей среды и т. п. выше нормальной. Кроме того, сами изготовители обычно дают рекомендации с некоторым запасом. Таким образом, в настоящее время для большинства электрических машин и трансформаторов обычно существуют некоторые тепловые границы, в пределах которых допускается перегрузка электрической машины, по меньшей мере, временная. Для предотвращения поломки главной машины в такой ситуации температуру в обмотке ротора и/или статора можно контролировать в процессе работы с помощью температурных датчиков. На фиг. 3 главная машина имеет температурный датчик 60, установленный в обмотке 16 ротора, и температурный датчик 64, установленный в обмотке статора. Аналогично, в машине, изображенной на фиг. 4, также имеются температурные датчики 60, 64. Это позволяет в течение ограниченного периода времени работать за пределами номинальных параметров машины, как показано на фиг. 6.

Это означает, что по сравнению с известными компенсаторами параллельного типа способность предложенного стабилизатора подавать/потреблять реактивную мощность в течение короткого времени может быть эффективным, но дешевым способом увеличена далеко за пределы номинальной мощности стабилизатора. В статическом компенсаторе реактивной мощности это невозможно, и вся конструкция должна быть рассчитана на пиковую мощность. Поэтому перегрузки недопустимы. В статическом синхронном компенсаторе полная реактивная мощность должна подаваться через электронный преобразователь энергии. Он допускает лишь незначительные перегрузки. Это означает, что вся конструкция должна быть рассчитана на пиковую мощность. Напротив, в стабилизаторе для энергетической системы, выполненном согласно настоящему изобретению, лишь преобразователь частоты должен быть рассчитан на повышенную мощность ротора. Так как полная мощность этого преобразователя низка по сравнению с полной мощностью стабилизатора, расходы значительно снижаются.

Кроме того, стабилизатор способен подавать активную мощность в энергосистему или потреблять активную мощность из нее. Это может быть осуществлено путем изменения частоты вращения стабилизатора и/или при наличии движущей машины/механической нагрузки, соединенной со стабилизатором. Сначала опишем вариант выполнения изобретения, в котором машина не содержит движущей машины или механической нагрузки, соединенной с валом, что соответствует системам, изображенным на фиг. 1а и 1Ь.

Энергия, накопленная во вращающихся частях стабилизатора, в основном, определяется моментом инерции и частотой вращения. Для электрических машин она часто выражается через постоянную времени Н для инерции машины:

где 1 - момент инерции машины, ω₀ - номинальная частота механического вращения (радиан/с) и δ_Ν - мощность машины. Тогда Н соответствует количеству энергии, запасенной во вращающихся частях при номинальной частоте вращения, по отношению к мощности машины. Для больших электрических машин типичные значения этой величины составляют 2-8 с.

На фиг. 9а показан график выходной мощности Р стабилизатора энергетической системы. Мощность меняется между Р₀ и -Р₀, но среднее значение мощности равно нулю. Когда мощность колеблется синусоидально, как показано на фиг. 9а, преобразованная энергия А! в течение одного полупериода равна (2/п)РТ, где Р максимальная активная мощность, а Т -период колебания. В течение следующего полупериода та же самая энергия А₂ снова будет преобразована, но теперь в противоположном направлении. Частота вращения при таком процессе будет меняться, как показано на фиг. 9Ь. Типичный период колебаний энергии, обусловленных колебаниями на полюсном кольце, в зависимости от скорости колебаний частоты вращения синхронных машин составляет 0,5-2 с. Тогда для синусоидальных изменений мощности, изображенных на фиг. 9а, величина необходимой накопленной энергии лежит между 0,32Р и 1,3Р. В статьях Υ. Мйаш с1. а1. АррНсайои Гот 8иретсоиБисйид Мадие! Еиегду 81отаде Ю 1шртоуе Ро\тег §у81еш Пуиаш1с РегГогшаисе. 1ЕЕЕ Ттаизасйоик ои Ро\тег §у81еш8, Уо1. 3, Ыо. 4, ЫоуешЬет 1998, рр. 1418-1425, и I. Кашеа е1. а1. АсОуе-Ро\уег 81аЬШхег5 Гог МиШшасЫие Ро\тег Зуйепъ: СйаНеидех аиБ РтокресБ, 1ЕЕЕ Ттаикасйоик ои Ро\тег Зуйетк, Уо1. 13, Ыо. 4, ЫоуетЬег 1998, рассматривается количество энергии, которое необходимо запасти в зависимости от мощности стабилизатора. Показано, что даже при накоплении энергии Е<Р, где Е - запасенная энергия, измеренная в джоулях, а Р - мощность, измеренная в ваттах, можно обеспечить достаточное затухание колебаний в энергосистеме. Теперь предположим, что вариации частоты вращения составляют ±10% от синхронной частоты вращения. Это означает, что приблизительно 20% от энергии вращения может быть использовано для стабилизации; т.е. в данном примере постоянная инерции Н должна по порядку величины составлять 1,6-6,5 с. Если стабилизатору недостаточно естественного момента инерции, его можно увеличить рентабельным способом с использованием в стабилизаторе маховиков. Это схематично показано на фиг. 3 позицией 72. Наиболее эффективно такое средство для высокооборотных вращающихся машин, поскольку при большей частоте вращения можно накопить больше энергии в маховике тех же размеров. Как известно из статьи Кашга е1. а1. Ьагде-8са1е Асйуе-ЬоаБ МоБи1айои Гог Аид1е 81аЫ1йу 1тртоуетеиГ, 1ЕЕЕ Тгаикасйоиз ои Ро\тег 8у51ет5, Уо1. 14, Ыо. 2, Мау 1999, рр. 582590, обычно необходимо модулировать активную мощность только на 5%. Это означает, что мощность 1000 МВт в линии электропередачи можно стабилизировать при модуляции мощности величиной 50 МВт. Таким образом, вращающийся стабилизатор обеспечивает создание рентабельного накопителя энергии емкостью Е, которая по порядку величины близка к Р, а если учесть, что стабилизатор, выполненный согласно настоящему изобретению, может выдерживать значительные перегрузки, понятно, насколько стабилизатор эффективнее по сравнению с его номинальной электрической мощностью. Лишь преобразователь тока, соединенный с обмотками ротора главной машины, должен быть рассчитан на повышенную мощность, но мощность этого преобразователя составляет лишь малую часть от мощности стабилизатора.

Для случаев, когда частота колебания настолько низка, что потребность в управлении мощностью становится большой по сравнению с самой мощностью, можно использовать механические нагрузки. На фиг. 4 на валу 22 ротора установлен тормоз 70. Этот тормоз 70 может использоваться для поглощения слишком больших энергий вращения. Это дополнительно повышает гибкость стабилизатора, позволяя, чтобы среднее значение выделяемой из энергосистемы мощности отличалось от нуля, и при необходимости позволяя избавиться от избыточной энергии с помощью тормоза 70. При необходимости тормоз 70 может быть снабжен охлаждающимися устройствами, которые позволяют использовать этот тормоз 70 постоянно в течение нескольких минут.

На фиг. 10 показана другая временная зависимость для активной мощности Р, выделяемой из стабилизатора энергетической системы. Мощность меняется непериодически, но каждый раз этой мощностью управляют согласно потребностям. Частота вращения стабилизатора энергетической системы также меняется непериодически в результате наличия потоков энергии. Аналогично рассмотренной выше ситуации интеграл от кривой мощности соответствует энергии, которая подана в энергетическую систему. Пока этот интеграл остается меньше разрешенной вариации частоты вращения стабилизатора, энергия не должна ни поступать в стабилизатор, ни выходить из него. Однако, если колебания мощности слишком велики, необходимо, чтобы с валом стабилизатора была связана движущая машина или нагрузка, изменяющие в небольших пределах частоту его вращения.

На фиг. 3 показаны также основные части систем управления и контроля. Неподвижный блок 48 управления предназначен для подачи управляющих сигналов через управляющее соединение 52 в выпрямитель 42. Выпрямитель 42 подает соответствующий ток намагничивания в обмотку 34 возбуждения регулирующей машины. Аналогично вращающийся блок 46 управления, который вращается вместе с общим валом 22 и, таким образом, с ротором 10 главной машины, предназначен для подачи соответствующих управляющих сигналов через управляющее соединение 66 в преобразователь 18 тока. Таким образом, преобразователь 18 тока подает в обмотку 16 ротора главной машины ток соответствующей фазы, амплитуды и частоты. Ниже подробно описано, как осуществляется это управление. Вращающийся блок 46 управления дополнительно содержит средство 54 связи для беспроводной связи со средством 54 связи в неподвижном блоке 48 управления. Таким образом, блоки 46 и 48 управления могут обмениваться информацией. Оба блока 46, 48 управления содержат процессорные устройства 47, 49 для обработки сигналов и данных.

Вращающийся вместе с ротором блок 46 управления соединен с температурным датчиком 60, откуда он получает данные о температуре обмотки ротора. Кроме того, имеется датчик 58 для измерения тока/напряжения в обмотке ротора главной машины и датчик 62 для измерения тока/напряжения в обмотке регулирующей машины, которые соединены с блоком 46 управления и контролируют ток и/или напряжение в обмотках 16 ротора и ток и/или напряжение между регулирующей машиной 20 и преобразователем тока соответственно.

Аналогичным образом, неподвижный блок 48 управления соединен с температурным датчиком 64, предназначенным для измерения температуры обмотки статора. Кроме того, датчик 50 соединен с блоком 48 управления для измерения тока и/или напряжения в статоре 12 главной машины. Имея информацию о параметрах трансформатора 3, этот датчик 50 косвенным путем воспринимает состояние энергосистемы. Альтернативно датчик 51 может быть установлен со стороны энергосистемы относительно трансформатора 3, то есть на электростанции, где установлен стабилизатор, для непосредственных измерений где-либо на этой электростанции. Однако ввиду высоких напряжений это обычно требует более дорогостоящих технических решений. Таким образом, датчик 50 или датчик 51 могут обнаружить возмущения в энергосистеме, например, связанные со среднеквадратичными значениями фазы и/или амплитуды напряжения и/или среднеквадратичной величиной фазы и/или амплитуды тока и их частотой.

Таким образом, могут быть получены данные об электрических и тепловых параметрах, и эти данные передаются между блоками 46, 48 управления, предпочтительно посредством беспроводной связи. Поэтому во вращающийся блок 46 управления может поступать требуемая оперативная информация, на основе которой обычным образом осуществляется управление током ротора с помощью преобразователя 18 тока.

На фиг. 4 показаны соответствующие блоки 46, 48 управления. Здесь вращающийся блок 46 управления отвечает, главным образом, за сбор данных от температурного датчика 60 и датчика 58. Эти данные обрабатываются в процессорном устройстве 47 и передаются беспроводным способом в неподвижный блок 48 управления. Неподвижный блок 48 управления отвечает за управление как выпрямителем 42, так и преобразователем 18' тока.

Таким образом, стабилизатор на фиг. 3 содержит встроенную систему управления и контроля, которая включает стационарный 49 и вращающийся 47 цифровые процессоры с бесщеточными элементами 54, 56 цифровой связи и датчиками 50, 51, 58, 60, 62, 64 для измерения и контроля текущих параметров. Процессоры 47, обычно работают как система ведущий/ведомый, причем ведомым является вращающийся процессор 47. По существу, стационарный процессор 49 управляет преобразованием мощности, измерением и контролем величин, относящимся к статору 12 электрической машины, и обменивается данными с другими системами внешнего управления и контроля. Главной задачей вращающегося процессора 47 является управление преобразователем 18 тока посредством управления вращением вала электрической машины, а также измерение и контроль величин, относящихся к ротору 10 машины.

Вращающийся процессор 47 запрограммирован так, что при повторных и серьезных нарушениях в средствах 54, 56 беспроводной цифровой связи он способен в течение некоторого времени осуществлять управление и контроль за работой стабилизатора автономно.

Главной машиной можно управлять согласно тем же правилам, которые обычно используются для асинхронных генераторов. Способ стабилизации может быть основан на так называемом α-β-преобразовании, при котором система уравнений динамики машины и физических токов и напряжений в роторе и статоре преобразуется к системе, состоящей из фиктивных обмоток ротора и статора, ориентированных некоторым образом относительно потока в статоре. Можно показать, что один компонент роторного тока управляет вращающим моментом и, таким образом, активной мощностью Р, в то время как другой компонент управляет полюсным напряжением статора и, таким образом, реактивной мощностью О. Структура такого регулятора показана на фиг. 8, где позицией 91 обозначен регулятор напряжения или регулятор реактивной мощности, а позицией 92 - регулятор активной мощности. Регулятор тока обозначен позицией 90. Напряжения И_аг, И_Ьг, И_сг поданы на модулятор преобразователя. Более подробное описание имеется в работе 1аи О. С)егбе с1. а1. Сопзес.|иепсез о£ 1п!гобистд Абщз1аЫе 8рееб Нубго (А8Н) ίη ЕДаЫАНсб Ро\усг ΝοΙ\уогкз, Ргос. о£ Р8СС'99, Уо1. 1, рр. 150-156, №г\уещап υηίν. £ог Тескпо1оду апб 8с1епсе, Тгопбкепп. 1999. Когда стабилизатор соединен с турбиной и работает как генератор, частотой вращения управляют с помощью турбины, имеющей собственную систему управления. Примеры такой конфигурации даны в работе Т. Ки\уаЬага еЕ а1. Эезщп о£ бупатю гезропзе сЕагас1епзбсз о£ 400 М\У абщз1аЫе зрееб ритреб з1огаде иш1 £ог ОЕка^асЫ Ро\уег 81абоп, ΙΕΕΕ Тгапзасйопз оп Епегду Со^егзюп, Уо1. 11, Νο. 2, 1ипе 1996, рр. 376-384.

Расчет времени включения и выключения для преобразователя тока, соединенного с ротором, может быть выполнен, как показано на фиг. 7. Положение потока (Ψ₈) статора относительно обмоток υ₃ статора может быть найдено несколькими способами, например путем установки датчиков в воздушном зазоре машины или путем интегрирования измеренного напряжения статора. Интегрирование измеренной частоты вращения позволяет определить положение υ ротора относительно статора. Таким образом, можно рассчитать υ_Γ и компоненты α и β тока ротора могут быть преобразованы в реальные фазные токи в роторе. Частота вращения машины может быть, например, измерена/рассчитана путем интегрирования напряжения на регулирующей машине.

Измерение напряжения в высоковольтном устройстве является дорогостоящим, поскольку необходимо наличие измерительного оборудования, которое соединено с высоковольтными проводниками и, вследствие этого, должно быть изолировано для защиты от высоковольтных напряжений. Для электрических машин с высоковольтными обмотками статора слишком дорого оборудовать машину собственными трансформаторами напряжения для измерения напряжения на полюсах, в то время как измерение тока обходится дешевле, поскольку не требует гальванической связи. Обычно измерение напряжения на полюсах машины необходимо для ее фазирования в энергосистеме, если машина будет работать как генератор. На шине всегда производят измерение напряжения, поскольку это необходимо для фазирования других линий, машин и т. п. Стабилизатор, выполненный согласно настоящему изобретению, может быть фазирован относительно внешней энергосистемы и без необходимости измерения напряжения на полюсах машины. Данные об измеренном напряжении, относительно которого машина должна быть фазирована, передаются, например, в стационарный компьютер. Затем этот компьютер вычисляет положение потока статора для того, чтобы напряжение было в фазе с измеренным напряжением. Затем, управляя амплитудой, частотой и фазой тока ротора, генерируют такое напряжение на выходе машины, которое находится в фазе с измеренным. Это является несомненным преимуществом по сравнению с известными устройствами, так как отпадает необходимость в каких-либо специальных трансформаторах напряжения для осуществления фазирования. Так как динамические процессы в электрической машине происходят значительно быстрее, чем в движущей ее машине, она не обязана работать с постоянной частотой вращения, совпадающей с синхронной, поскольку разность между синхронной частотой вращения и реальной частотой вращения стабилизатора может быть скомпенсирована путем управления частотой токов в роторе. Для синхронной машины это невозможно.

За счет наличия вращающегося блока цифрового управления и линии связи между ротором и стационарными частями стабилизатора можно воспользоваться преимуществами системы контроля в роторе, даже если потребуется большой объем обработки сигналов. Частичные разряды в изоляции, когда их интенсивность становится слишком большой, способны разрушить изоляцию и привести к пробою. В работе А. КНейтаиб с1. а1. Соийииоик 0и-1ше Рагйа1 Э|ксНагде Моийойид оГ Ро\\сг Оеиега!огк, 1996 ΙΕΕΕ Аипиа1 Верой - СопГегепсе ои Е1ес1пса1 1ики1а!юи аиб О1е1ес(г1с РНеиотеиа, рр. 496-499, описана система ЮТЕСН, которая в процессе работы способна контролировать интенсивность частичных разрядов в обмотке статора вращающейся машины переменного тока. При наличии вращающегося блока цифрового управления аналогичная система также может использоваться для контроля изоляции в роторе.

Вращающийся стабилизатор, выполненный согласно настоящему изобретению, является гибким в использовании. Для иллюстрации этого рассмотрим, как он используется в энергосистеме. На фиг. 11 изображена энергосистема, включающая, в основном, один участок 80 производства электроэнергии и участок 82 нагрузки. Для эффективной стабилизации колебаний мощности между этими участками могут иметься включающие средства 84 А, 84В, соединенные с энергосистемой. Управление активной мощностью будет наиболее эффективным, когда включающие средства расположены близко к производителю 88, как, например, средство 84А, или потребителю 86 активной мощности, как, например, средство 84В. Тогда стабилизатор может быть помещен или на участке 80 производства электроэнергии 80, или на участке 82 нагрузки. Если стабилизатор 84А помещен на участке 80 производства электроэнергии, он дополнительно может использоваться как преобразователь мощности путем соединения его с турбиной. Если стабилизатор 84В помещен на участке 82 нагрузки, он может дополнительно работать, например, как синхронный компенсатор. Его способность выдерживать перегрузки приводит к тому, что при опасности лавины напряжения он может испытывать значительную перегрузку в течение критического периода, обычно составляющего 1-30 мин.

Колебания мощности в сетях электроснабжения могут возникать в результате плохо подавленного затухания низкочастотных (например, от 0,1 до 2 Гц) колебаний между роторами генераторов. Имеются две основные группы проблем, связанных с колебаниями, имеющими место или между различными областями (межобластные), или более локальными (внутриобластные). Введение стабилизатора энергетической системы в генераторах может активно способствовать гашению колебаний мощности. Если рассматривать колебания мощности между областями, большая часть затухающего вращающего момента возникает за счет модуляции нагрузок в сети электроснабжения.

Затухание (межобластных) колебаний осуществляют, увеличивая затухание для заданных типов колебаний, что идеально осуществляется с применением тормозящего крутящего момента, пропорционального отклонению скорости машины. Два практических варианта стабилизации посредством регулирования намагничивания электрических машин заключаются в модуляции электрического или механического вращающего момента. На практике лучшего затухания можно достичь, если позволить стабилизатору энергетической системы подавать дополнительный сигнал системе намагничивания машины. Входные сигналы для стабилизатора энергетической системы могут содержать, например, сигналы отклонения скорости вращения вала ротора, частоты на выводах генератора или интеграла от электрической мощности.

Размещение устройств для стабилизации энергосистемы является сложной темой, которая в каждом конкретном случае требует развернутого анализа. Однако на основе упрощенных моделей можно понять, как следует пытаться использовать различные устройства. Некоторые указания имеются в статье Т. 8тей, С. Лпбег88ои ИйШтд НУЭС 1о Эатр Роете г ОксШайоик, ΙΕΕΕ Тгаикасйоик ои Роете г Оейуегу, Уо1. 8, Ыо. 2, Лргй 1993, рр. 620-627. Устройства, которые, в основном, способны модулировать активную мощность, следует размещать близко к потребителям или генераторам активной мощности, а устройства, которые, в основном, могут модулировать реактивную мощность, следует размещать в электрической средней точке между производителями и потребителями активной мощности. Согласно вышеуказанной статье частота сети представляет собой подходящий входной сигнал для управления модуляцией активной мощности, а производная амплитуды напряжения представляет собой подходящий входной сигнал для управления модуляцией реактивной мощности.

Мгновенное значение активной электрической мощности на выходе главной машины стабилизатора может быть рассчитано, например, перемножением измеренных мгновенных значений тока и напряжения, относящихся к одной фазе. Реактивная мощность на выходе главной машины стабилизатора может быть рассчитана путем измерения среднеквадратичных значений тока и напряжения, а также фазового сдвига между током и напряжением, относящимися к одной фазе.

На фиг. 14 показано, как для этой цели может быть модифицирована система, показанная на фиг. 8. Сигналы ДИ и Δω обрабатываются в отдельных фильтрах/процессорах сигнала, которые обозначены своими передаточными функциями С_р и С_и. Затем эти устройства вырабатывают сигнал ΔΟ. который представляет собой кратковременное изменение стационарного опорного значения для напряжения/реак тивной мощности стабилизатора, и сигнал ΔР, который представляет собой кратковременное изменение опорного значения для активной мощности машины.

На фиг. 12 изображена энергосистема с двумя участками 80А и 80В производства электроэнергии и одним нагрузочным участком 82. Теперь предположим, что эти участки 80А и 80В производства электроэнергии подвержены суточным и/или сезонным изменениям. Если участок 80А относится к гидроэлектростанции с большими водными ресурсами, то он будет доминировать в зимний период. Тогда энергия потечет, главным образом, от участка 80А производства электроэнергии к нагрузочному участку 82. Участок 80В производства электроэнергии может относиться, например, к гидроэлектростанциям, расположенным на реках. Производительность таких электростанций максимальна в половодье, например весной. Тогда энергия, в основном, потечет от участка 80В производства электроэнергии к нагрузочному участку 82. Если установить стабилизатор 84 на участке 80В, то он может быть использован при вышеописанных изменениях мощности. Когда доминирует участок 80А производства электроэнергии, стабилизатор 84 сможет поставлять реактивную мощность в энергосистему, осуществляя в ней оптимальное распределение напряжения. При неисправностях стабилизатор может временно поставлять регулируемую реактивную мощность ΔΟ, сглаживая колебания активной мощности между участком 80А производства электроэнергии и нагрузочным участком 82. Когда доминирует участок 80В производства электроэнергии, можно модулировать активную мощность, как показано на фиг. 11, сглаживая колебания активной мощности между участком 80В производства электроэнергии и нагрузочным участком 82.

На фиг. 13 показана энергосистема с двумя доминирующими участками 80С, 80Ό производства электроэнергии, которые снабжают электроэнергией больший нагрузочный участок 82. Здесь стабилизатор 86 может стационарно использоваться как синхронный компенсатор и поставлять реактивную мощность в нагрузочный участок 82, временно поставлять реактивную мощность ΔΟ для гашения колебаний между двумя участками 80С, 80Ό производства электроэнергии и временно поставлять активную мощность ΔР для гашения колебаний между нагрузочным участком 82 и одним из участков 80С или 80Ό производства электроэнергии. Пример такого включения дается в статье Ι. Катета ей а1. Ьагде-8са1е Асйуе-Ьоай Мойи1айои £ог Аид1е 81аЫ1йу 1тргоуетеи1, ΙΕΕΕ Тгаикасйоик ои Роете г ЗуЧепъ, Уо1. 14, Ыо. 2, Мау 1999, рр. 582-590.

На фиг. 15 показана последовательность операций, которая упрощенно показывает спо27 соб управления согласно настоящему изобретению. Процесс начинается с шага 100. На шаге 102 мощность передается из главной машины стабилизатора в энергосистему или из энерго системы в главную машину стабилизатора. На шаге 104 регулируют эту передачу энергии. Регулировку выполняют, изменяя частоту вращения главной машины. Эту операцию завершают, подавая через обмотки ротора главной машины ток соответствующей частоты, фазы и амплитуды. Процесс заканчивают на шаге 106.

Специалистам в данной области техники понятно, что в настоящем изобретении могут быть выполнены различные изменения и модификации, находящиеся в рамках изобретения, которые определяются формулой изобретения. Например, можно вместо вращающейся регулирующей машины использовать источник тока другого типа. Для того чтобы стабилизатор сохранял удовлетворительные параметры при неисправностях в энергосистеме, этот источник напряжения должен быть независимым от энергосистемы. Источник напряжения может содержать, например, какой-либо накопитель энергии или отдельную машину. Отдельная машина может быть любого типа, который обеспечивает подачу требуемых токов и напряжений для управления ротором главной машины. Она может также иметь вал, который отделен от главной машины, хотя некоторые исключительные особенности машины при этом не будут обеспечены.

Claims (25)

1. Стабилизатор энергетической системы, содержащий главную вращающуюся асинхронную электрическую машину (2, 2'), обмотки (14) статора (12) которой выполнены с возможностью подключения к линии электропередачи, преобразователь (18, 18') тока и связанный с ним источник напряжения, причем преобразователь (18, 18') тока также соединен с обмотками (16) ротора для обеспечения обмена электрической мощностью с линией электропередачи посредством изменения частоты вращения ротора (10).

2. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что источник напряжения является независимым от линий электропередачи.

3. Стабилизатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что источник напряжения представляет собой регулирующую машину (20, 20').

4. Стабилизатор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что регулирующая машина (20, 20') и главная машина (2, 2') имеют общий вал (22).

5. Стабилизатор по п.4, отличающийся тем, что преобразователь (18') тока размещен на неподвижных частях главной машины и связан с обмотками (16) ротора главной машины посредством щеток (30) и контактных колец (32).

6. Стабилизатор по п.4, отличающийся тем, что регулирующая машина (20) и главная машина (2) являются бесщеточными, а преобразователь (18) тока выполнен вращающимся вместе с валом (22) ротора.

7. Стабилизатор по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что на валу (22) главной электрической машины установлен маховик.

8. Стабилизатор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что он содержит движущее средство для приложения силы к валу (22) главной электрической машины.

9. Стабилизатор по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что он содержит нагрузочное средство для поглощения движущей силы вала (22) главной электрической машины.

10. Энергосистема, включающая линии электропередачи и стабилизатор (84, 84А, 84В) параллельного типа по п.1.

11. Энергосистема по п.10, отличающаяся тем, что источник напряжения является независимым от линий электропередачи.

12. Энергосистема по п.10 или 11, отличающаяся тем, что источник напряжения представляет собой регулирующую машину (20, 20').

13. Энергосистема по любому из пп.10-12, отличающаяся тем, что регулирующая машина (20, 20') и главная машина (2, 2') имеют общий вал (22).

14. Энергосистема по п.13, отличающаяся тем, что преобразователь (18') тока размещен на неподвижных частях главной машины и связан с обмотками (16) ротора главной машины посредством щеток (30) и контактных колец (32).

15. Энергосистема по п.13, отличающаяся тем, что регулирующая машина (20) и главная машина (2) являются бесщеточными, а преобразователь (18) тока выполнен вращающимся вместе с валом (22) ротора.

16. Способ стабилизации напряжения в энергетической системе, включающий передачу электрической мощности между линией электропередачи и вращающейся главной электрической машиной (2, 2'), отличающийся тем, что регулируют электрическую мощность, подаваемую или получаемую главной электрической машиной (2, 2'), путем изменения частоты вращения ее ротора.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что регулирование включает обеспечение протекания тока ротора через обмотки (16) ротора главной электрической машины (2, 2');

управление амплитудой, фазой и частотой напряжения ротора для достижения заданной амплитуды, фазы и частоты напряжения на обмотках (14) статора в главной электрической машине (2, 2').

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что регулирующую мощность обмотки ротора главной машины обеспечивают с помощью регулирующей машины (20, 20').

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что вал регулирующей машины (20, 20') приводится в механическое вращение валом (22) главной электрической машины (2, 2').

20. Способ по любому из пп.16-19, отличающийся тем, что измеряют ток/напряжение в линии электропередачи для обнаружения возмущений его амплитуды, действующего значения, фазы или частоты, а регулирование осуществляют на основе, по меньшей мере, одного из обнаруженных возмущений.

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что измеряют температуру обмоток (14) статора указанной главной машины, и регулирование осуществляют также на основе этой температуры статора.

22. Способ по п.20 или 21, отличающийся тем, что

Фиг. 1а

Фиг. 1Ь

Фиг.2а измеряют температуру обмоток (16) ротора указанной главной машины, и регулирование осуществляют также на основе этой температуры ротора.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что регулирование в течение ограниченного времени дает электрическую мощность, которая превышает номинальную мощность главной электрической машины (2, 2') для непрерывного режима работы.

24. Способ по любому из пп.16-23, отличающийся тем, что он включает передачу управляющей информации между стационарной и вращающейся частями главной машины.

25. Способ по любому из пп.16-24, отличающийся тем, что он включает преобразование напряжения на обмотках (14) статора главной машины в напряжение, подходящее для энергетической системы.